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2004-03-31 |
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첨부파일이 없습니다. |
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제 목 |
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8. 정전기 관련 특성실험 및 점화·폭발 실험장치 설치 |
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제 목 : 정전기 관련 특성실험 및 점화·폭발 실험장치 설치
靜電氣 豫防對策을 講究하기 위해서는 材料의 靜電氣 관련 諸般 特性을
파악하는 것이 무엇보다도 중요하다. 이 章에서는 이의 일환으로서
시중에서 널리 사용되고 있는 帶電防止 處理가 된 材料와 處理가 되지
않은 一般材料에 대하여 靜電氣의 帶電 및 緩和 特性 實驗을 실시하고
그 結果를 比較 分析하였다.
또한, 본 章에서는 靜電氣가 放電할 때 放出하는 放電 Energy에 의하여
여러 가지 爆發性 混合氣體의 爆發實驗을 실시하기 위한 實驗裝置를
개발하여 이를 소개하고자 한다. 이 장치는 향후 靜電氣 放電에 의한
爆發性混合氣體의 特性을 파악하는데 있어 매우 유용하게 사용될 수
있을 것이다.
가. 靜電氣 관련 特性實驗을 위한 實驗裝置
不導體는 摩擦 등에 의하여 帶電이 잘 일어나고, 電路가 형성될
경우 放電한다. 시중에서 널리 사용되고 있는 帶電防止處理가 된
材料와 되지 않은 一般材料를 선별하여 靜電氣 帶電 및 緩和
特性 實驗을 실시하고 그 結果를 比較 分析하였다.
1) 固體材料의 靜電氣 特性 實驗裝置
본 실험에 사용된 주요 實驗裝置로는 靜電氣를 發生시켜 주는
Static Honestmeter (일본 Shishido 靜電氣株式會社 製品
Model S-5109), 物質의 帶電電壓을 측정하는 Electrostatic
Voltmeter (E.T.S.社.製品 Model 105), 필요한 溫·濕度 環境條件을
만들어 주는 恒溫恒濕器 (熱電子工業株式會社 製品 Model
THC-15OS), 試料의 表面抵抗을 測定하는 表面抵抗器(Shishido
靜電氣株式會社, 製品 Model RF-250), 각 物質에 旣 帶電되어 있는
靜電氣를 제거시켜 주는 送風型除電器 (新韓靜電氣株式會社, 製品
Model SS-3000), 靜電氣 緩和特性을 測定하는 Static Decay Meter
(E.T.S.社 製品 Model 4060) 등이다.
여기서는 주요한 장비 몇가지만 골라 圖示하고자 한다.
2) 混合氣體의 點火爆發 實驗裝置
靜電氣 爆發實驗裝置는 우선 爆發性 混合氣體를 密封하여 가둘 수
있는 유리통이 필요하다. 이 유리통내에는 放電電極을 설치하여
이를 통하여 帶電된 靜電氣 電荷를 불꽃放電 시킬 수 있게 되어
있다.
(그림1, 2 이하 폭발통으로 부르기로 한다.). 유리통의 재료는
폭발압력에 견딜 수 있는 강한 Pyrex 유리를 사용하였고 투명하여
외부에서 放電現象 및 爆發過程을 쉽게 관찰할 수 있도록 하였다.
[그림1] 放電電極이 내장된 爆發筒의 正面圖
(a) 가스폭발 實驗筒
[그림2] 放電電極이 내장된 爆發筒의 正面圖
(b) 분진폭발 實驗筒
폭발통은 유리창문이 달린 鐵材 Box안에 넣어 安全性을 높였으며
Box 밖에서 모든 조작이 가능하도록 제작하였다.
폭발통에 들어 있는 混合氣體는 放電電極에서 발생하는 放電
Energy에 의하여 點火 爆發하게 된다.
이 Electrostatic Discharge Simulator의 機能을 나타내는
Block Diagram 은 (그림3)과 같다.
[그림3] Electrostatic Discharge Simulator의 機能圖
본 硏究에서는 混合氣體의 靜電氣 點火爆發 實驗을 위한 System을
開發하여 設置하였다.
[그림4] 爆發實驗裝置의 槪念圖
이 實驗은 爆發筒에 混合氣體를 充塡시킨 후 帶電된 電荷를
放電電極에 誘導시켜 放電토록 하여 混合氣體의 爆發 여부를
관찰하고, 爆發할 경우에는 이 때 必要로 하는 點火 Energy를
推定해 낸다.
나. 實驗 實施
1) 試料 製作
이 測定을 위해서는 먼저 여러 가지 材料들을 구하여
Honestmeter의 홈에 맞도록 절단하여 Sample을 만들었다.
본 實驗對象이 된 試料는 시중에서 널리 사용되고 있는
帶電防止處理가 된 Acryl, 고무, Film, Carpet, Sponge, Vinyl
등으로서 비교를 위하여 이들과 두께가 비슷한 帶電防止處理가
같은 종류의 材料를 선정하여 實驗測定用 試料를 製作하였다.
각 測定用 材料에 대한 크기는 <표1>과 같다.
<표1> 主要 試料의 크기 (가로×세로×두께)
(單位 :mm)
┌─────┬──────────┬─────────┐
│ 區 分 │ 帶電防止處理 試料 │ 一 般 試 料 │
├─────┼──────────┼─────────┤
│ Acryl │ 50×50×5 │ 50×50×5 │
├─────┼──────────┼─────────┤
│ 고무 │ 50×50×2.32 │ 50×50×2.54 │
├─────┼──────────┼─────────┤
│ Film │ 50×50×0.22 │ 50×50×0.19 │
├─────┼──────────┼─────────┤
│ Carpet │ 50×50×1.68 │ 50×50×1.52 │
├─────┼──────────┼─────────┤
│ Sponge │ 50×50×5.21 │ 50×50×5.10 │
├─────┼──────────┼─────────┤
│ Vinly │ 50×50×0.06 │ 50×50×0.06 │
└─────┴──────────┴─────────┘
2) 實驗 方法 및 節次
(1) 表面抵抗 測定
각 試料의 表面抵抗 測定方法은 送風型除電器를 사용하여
試料 表面에 旣對電되어 있던 靜電氣 및 試料 周邊의
靜電氣를 除去시킨 후 溫度 24℃, 相對濕度 62%에서 각 試料
(크기 500㎜×100㎜) 위에 表面抵抗器 Sensor를 올려 놓고
1분이 지난 후에 試料의 表面抵抗을 測定하였다.
(2) 固體物質의 靜電氣 帶電特性 測定
각 Sample은 測定實驗전에 除電器를 사용하여 소량이라도 이미
帶電되어 있는 靜電氣를 제거하였다. 그리고 溫度 및 濕度가
帶電에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 恒溫恒濕槽에 이
裝置를 설치하여 溫度 및 濕度를 변화시켜 가며 測定하였다.
常溫에서 帶電防止 處理物質과 一般物質들이 帶電定壓을
測定하기 위하여 각 試料들을 洗瀞劑로 깨끗이 洗滌한 후
30분간 乾燥시켜 送風型 除電器로 材料 表面에 旣帶電되어
있는 靜電氣를 除去시킨 후 試料를 Static Honestmeter의
Turm Table에 부착되어 있는 Specimen Holder 속에 놓고
1,550 rpm의 速度로 回轉運動 시키면서 試料에다
9kV의 高壓으로 2분간 帶電을 시킨 다음 試料를 Specimen
Holder에서 꺼내어 Electrostatic Voltmeter로 각 試料의
帶電電壓을 測定하였다. 이러한 실험을 4回 反復한 후 그
測定값을 平均하였다.
環境變化에 따른 物質들의 帶電電壓을 測定하기 위하여
恒溫恒濕氣를 이용하였다. 이 때 실험에 사용되 試料는
帶電防止處理된 Acryl, 고무, Film과 帶電防止處理가 되지
않은 Acryl, 고무, Film으로서, 위에서 기술한 方法으로
帶電電壓을 測定하였다.
環境變化로서는 먼저 溫度를 20℃로 一定하게 維持하면서
濕度를 20%에서 80%까지 10%의 간격으로 변화를 주어 가면서
濕度變化에 따른 각 物質들의 帶電電壓을 測定하였다.
다음에 濕度를 40%로 一定하게 維持하면서 濕度를 -20℃에서
40℃가지 10℃ 간격으로 변화시켜 가면서 溫度變化에 따른
각 物質들의 帶電電壓을 測定하였다.
이 實驗도 4回 反復 實施하여 그 平均값을 取했다.
(3) 固體物質의 靜電氣 緩和特性 測定
각 物質의 靜電氣 緩和特性을 測定하기 위하여 Static Decay
Meter를 이용하여 溫度 20℃, 相對濕度 60%에서 試料에 5kV의
電壓을 인가하혀 靜電氣가 0%까지 緩和되는 時間을 測定하였다.
(4) 混合氣體의 點火·爆發 實驗
본 硏究의 일환으로 考案·設計하여 設置한 爆發實驗裝置를
이용하여 混合氣體의 點火·爆發 實驗을 실시하였다.
이를 위하여 防爆檢定試驗室에서 爆發性 混合氣體를 만들어서
이를 옮겨다 넣고 실험하였다.
Electrostatic Discharge Simulator를 이용하여 放電電極에
連結된 導體에 點火 Energy를 印加하여 Gas를 爆發시키며,
이 때의 點火 Energy를 측정하였다.
폭발통에 Gas를 充塡시키기 위해서는 먼저 폭발통을 眞空
Pump를 이용하여 眞空으로 만들어야 하는데 Rupture Paper의
不完全性으로 인하여 충분한 眞空狀態로 만드는 것이 어려웠다.
본 연구중에는 다양한 混合氣體의 點火 Energy를 측정하기
위한 상세한 實驗은 실시하지 못하고, 開發 製作한
爆發實驗裝置의 性能을 확인하는 ?001
도로 만족해야 했다.
향후 본 實驗裝置를 계속 補完하여 混合氣體 및 粉塵의 靜電氣
放電에 의한 點火·爆發 實驗을 실시하는데 사용할 계획이다.
다. 實驗結果 및 考察
1) 固體物質의 表面抵抗 測定
固體物質에서 表面抵抗과 靜電氣 帶電은 매우 깊은 관계가 있다.
즉, 固體物質의 表面抵抗을 낮게 하고 이를 적절하게 接地시키면
발생되는 電荷를 쉽게 漏泄시켜 靜電氣의 帶電을 방지할 수 있다.
그러나 感電을 예방하기 위하여 絶緣을 필요로 하는 등 다른
制約狀況 때문에 表面抵抗을 무조건 낮출수는 없다.
보통 表面抵抗이 10^6Ω이하로 유지하면 靜電氣가 物體表面에
蓄積되어 帶電되는 것을 防止할 수 있다.
<표2> 物質의 表面抵抗 測定값
(單位:MΩ)
┌───────┬──────────┬───────┐
│ 試料名 │ 帶電防止 處理物質 │ 一般 物質 │
├───────┼──────────┼───────┤
│ Acryl │ 2.85 │ ∞ │
├───────┼──────────┼───────┤
│ 고무 │ 26.00 │ ∞ │
├───────┼──────────┼───────┤
│ Film │ 0.07 │ ∞ │
├───────┼──────────┼───────┤
│ Carpet │ 0.05 │ ∞ │
├───────┼──────────┼───────┤
│ Vinyl │ 23.00 │ ∞ │
├───────┼──────────┼───────┤
│ Sponge │ 0.40 │ ∞ │
└───────┴──────────┴───────┘
<표2>는 이 실험에 사용된 물질들의 表面抵抗을 溫度 24℃,
相對濕度 62%에서 測定하여 나타낸 것이다. 帶電防止 處理가 안된
一般物質들은 表面抵抗이 測定器의 測定範圍 밖으로 높게 나타나고
있음을 알 수 있다. 帶電防止 處理된 物質들도 고무와 Vinyl은
수십 MΩ으로 매우 높게 나타나고 있어 靜電氣 帶電防止 物質로
사용하기에는 문제가 있는 것으로 보인다. Film, Carpet 및
Sponge는 적합한 것으로 나타났으며, Acryl은 帶電防止 處理가
미흡한 것으로 나타났다.
不導體에 表面抵抗을 減少시키기 위한 방법으로는 物體에
導電性物質을 揷入한다던지 導電性 塗料를 칠하는 것 등이 있다.
상세한 사항은 [1] 등의 資料를 참고하기 바란다.
2) 固體物質의 帶電特性
(1) 同一 環境에서의 物質別 帶電特性 比較
溫度 33℃, 相對濕度 57%에서 帶電防止處理 物質과
帶電防止處理가 되지 않은 一般物質 을 Static Honestmeter에서
9 kV 의 高壓을 (+) 電極 및 (-) 電極에 각각 인가하여
帶電電位를 測定한 결과를 <표3>에 나타냈다.
여기서 (+) 電極으로 帶電시킨 帶電防止處理 物質과 一般物質의
帶電電壓을 비교한 결과 Carpet인 경우에는 一般 Carpet가
6.13 kV이며, 帶電防止處理된 Carpet는 0.08 kV로 나타나 一般
Carpet가 帶電防止 處理된 Carpet보다 약 70배 정도 높게
나타났다.
Film인 경우는 一般 Film이 33 kV, 帶電防止 處理된 Film이
0.06 kV로 나타나 一般 Film이 帶電防止 處理된 Film보다
약 550배 높은 것으로 나타났다.
따라서, 帶電防止 處理된 物質은 一般物質보다 靜電氣의 帶電이
매우 낮게 된다는 사실을 확인할 수가 있었다.
<표3> 主要 物質들의 帶電電壓 測定값
(溫度 33℃, 濕度 57%에서 2분간 帶電후 測定: 單位:kV)
┌─────┬───────────┬───────────┐
│ │ 帶電防止處理 試料 │ 一般 試料 │
│ 物質名 ├─────┬─────┼─────┬─────┤
│ │ (+) 帶電│ (-) 帶電│ (+)帶電 │ (-)帶電 │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ 천 │ 0.05 │ 0.05 │ 0.25 │ - 0.30 │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ 타일 │ 12.00 │ -5.00 │ 30.00 │ -15.00 │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ Acryl │ 0.06 │ 0.05 │ 15.00 │ -25.00 │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ 고무 │ 0.08 │ 0.05 │ 5.00 │ -16.50 │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ Film │ 0.06 │ 0.07 │ 30.00 │ - 8.00 │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ Carpet │ 0.06 │ 0.05 │ 8.00 │ - 1.25 │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ Vinyl │ 0.075 │ 0.075 │ 10.00 │ - 7.50 │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ Sponge │ 0.08 │ 0.05 │ 10.00 │ -17.50 │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ 종이 │ 0.15 │ -0.10 │ 0.20 │ -0.20 │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘
<표3>에서 알 수 있듯이 帶電防止 處理가 된 物質과 되지 않은
物質을 비교하면 帶電防止 處理의 重要性을 알 수가 있다.
그러나 固體의 表面抵抗이 수십 MΩ이하에서는 이 表面抵抗과
帶電電壓의 相關關係가 나타나고 있지 않고 있다.
이것이 사실이라면 靜電氣 帶電防止를 위해서 권장되고 있는
表面抵抗이 1 MΩ 보다 높아져도 괜찮을 것으로 보이는데,
앞으로 보다 다양하고 精密한 實驗을 실시하여 그 사실을
규명할 필요가 있다.
(2) 溫度變化에 따른 物質의 帶電特性
環境變化에 따른 物質의 靜電氣 帶電特性을 파악하기 위하여
一定 濕度하에서 溫度를 變化시키면서 實驗을 하고, 이어서 一定
溫度하에서 濕度를 變化시켜 가면서 실험을 실시하였다.
<표4>는 고무, Acryl 및 Film에 있어서 帶電防止 處理된 것과
帶電防止 處理가 되지않은 것을 恒溫恒濕槽를 이용하여 濕度를
40%로 一定하게 유지하면서 溫度를 -20℃, -10℃, 0℃, 10℃,
20℃, 30℃ 및 40℃까지 변화시켜 가면서 靜電氣의 帶電電壓을
測定한 결과를 나타낸 것이다.
여기에서 帶電防止 處理된 물질들은 溫度의 변화에 따라
帶電電壓은 극히 적게 나타났으나, 一般物質인 경우에는 20℃
이상일 때 높게 나타났다.
一般物質이 溫度가 10℃가 지나면서 帶電電壓이 높게 나타나는
것은 濕度 Sensor가 恒溫恒濕槽내에 있어 溫度 增加시
物質의 表面에 대하여 濕度가 공간내의 濕度보다 低下될
가능성이 있기 때문에 그에 따른 電氣 導電性의 低下로
帶電電位가 높아진 것으로 추측된다.
<표4> 溫度變化에 따른 物質의 靜電氣 帶電電位
(단위:kV)
┌─────────┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ 溫度 │ │ │ │ │ │ │ │
│ 試料 ＼ │-20℃ │-10℃ │ 0℃ │ 10℃ │ 20℃ │ 30℃ │ 40℃ │
├───┬─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 防止處理 │0.025 │ 0.03 │ 0.05 │ 0.08 │0.085 │ 0.09 │ 0.09 │
│ 고무 ├─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 一般 │ 1.9 │ 2.05 │ 2.3 │ 8.3 │ 10.9 │10.75 │ 11.0 │
├───┼─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 防止處理 │0.013 │0.015 │0.025 │0.032 │0.033 │ 0.05 │ 0.05 │
│ Acryl├─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 一般 │ 3.0 │ 3.25 │ 2.65 │ 6.25 │ 16.1 │ 20.3 │ 21.0 │
├───┼─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 防止處理 │ 0.02 │0.025 │ 0.05 │ 0.08 │ 0.09 │ 0.09 │ 0.09 │
│ Film ├─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 一般 │ 0.8 │ 1.1 │ 1.6 │ 2.5 │14.25 │17.75 │ 18.0 │
└───┴─────┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
(3) 濕度변화에 따른 物質靜電氣 帶電特性
<표5>은 고무 , Acryl, Film의 帶電防止 處理된 것과
帶電防止處理가 되지 않은 것에 대하여 恒溫恒濕槽를 이용하여
溫度를 20℃로 一定하게 0002
維持하면서 濕度를 20%, 30%, 40%, 50%,
60%, 70% 및 80%까지 변화시켜 가면서 濕度變化에 따른 物質의
靜電氣 帶電電壓을 나타낸 것이다.
<표5> 濕度變化에 따른 物質의 靜電氣 帶電電壓
(單位:kV)
┌─────────┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ 濕度 │ │ │ │ │ │ │ │
│ 試料 ＼ │ 20% │ 30% │ 40% │ 50% │ 60% │ 70% │ 80% │
├───┬─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 防止處理 │ 0.1 │0.095 │0.085 │0.085 │ 0.07 │0.075 │ 0.05 │
│ 고무 ├─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 一般 │16.65 │ 16.1 │ 10.9 │ 10.85│ 6.35 │ 5.75 │ 5.65 │
├───┼─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 防止處理 │0.082 │ 0.06 │0.033 │0.033 │0.018 │0.018 │0.018 │
│ Acryl├─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 一般 │27.85 │ 27.4 │ 16.1 │ 12.5 │ 8.85 │ 4.30 │ 3.35 │
├───┼─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 防止處理 │0.095 │0.092 │ 0.09 │0.085 │ 0.07 │ 0.075│ 0.05 │
│ Film ├─────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│ │ 一般 │18.25 │ 18.1 │14.25 │ 13.7 │ 6.25 │ 4.20 │ 0.25 │
└───┴─────┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
여기에서 帶電防止 處理된 物質들은 濕度의 變化에 따라
靜電氣의 帶電電壓의 變化가 극히 적게 나타났으나, 一般
物質들은 濕度가 낮을수록 靜電氣 帶電電壓이 높게 나타났다.
따라서, 一般 物質들은 濕度가 높을수록 靜電氣 發生量이 적고
濕度가 낮을수록 靜電氣 發生量이 커지는 것으로 보아 靜電氣
發生은 濕度에 影響을 크게 받는다는 것을 확인할 수가 있었고,
이는 靜電氣 防護對策을 강구하는데 있어 고려하여야 할 매우
중요한 要素중의 하나이다.
3) 物質의 靜電氣 緩和 特性
帶電防止 處理가 된 고무 및 Carpet와 帶電防止가 되지 않은
고무 및 Carpet의 靜電氣 緩和 特性을 조사하기 위하여 Static
Decay Meter를 이용하여 溫度 20℃, 相對濕度 60%인 실내
환경에서 物質에 5 kV의 電壓을 인가하여 0%까지 靜電氣가
緩和되는데 소요되는 시간을 측정하였다.
여기에서 帶電防止 處理가 된 고무와 Carpet는 靜電氣가 0%까지
緩和될 때까지 걸린 시간은 0.01秒로 나타났으나, 處理가 되지
않은 일반고무와 Carpet는 각각 약 60秒 및 150秒가 경과하여도
0%까지 緩和가 되지 않았다.
따라서, 帶電防止 處理가 된 物質은 靜電氣의 緩和도 帶電處理가
되지 않은 一般物質보다 훨씬 더 빠르게 진행된다는 것을 알 수가
있었다.
자료출처: 한국산업안전공단 |
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